Un compressore che aspira aria ambiente a 30 °C e con un’umidità relativa del 70% aspira ogni ora diversi litri di vapore acqueo attraverso la sua presa d’aria. Una volta che l’aria viene compressa e raffreddata nel serbatoio di accumulo e nelle tubazioni, il vapore si trasforma in liquido e i danni sono lenti e costosi: collettori arrugginiti, lubrificante emulsionato negli utensili pneumatici, imperfezioni nella verniciatura, lotti scartati nelle linee alimentari e farmaceutiche, tubi congelati in un locale non riscaldato. Un essiccatore previene tutto ciò, ma le due tecnologie principali operano a livelli molto diversi e presentano costi di esercizio molto diversi.
Un refrigerato essiccatore d'aria raffredda l'aria compressa a circa +3 °C, ottenendo un punto di rugiada in pressione vicino a 38 °F, valore sufficiente per l'aria destinata alle piante da interno e agli utensili pneumatici in edifici riscaldati. Un essiccatore ad adsorbimento fa passare l’aria attraverso un letto adsorbente che rimuove il vapore acqueo fino a un punto di rugiada di pressione pari a −40 °C, o −70 °C nelle versioni ad alta purezza, ed è la scelta corretta ogni volta che una qualsiasi parte dell’impianto scende al di sotto dello zero o il processo non tollera alcuna presenza di umidità. La scelta dipende dal punto di rugiada richiesto dal vostro impianto, non da quale macchina sembri più performante su un preventivo.
Le sezioni che seguono analizzano gli aspetti fisici, i costi di esercizio e le implicazioni in termini di manutenzione derivanti da quel singolo dato.
La vera differenza sta nel punto di rugiada sotto pressione, non nel design dell'essiccatore
Gli essiccatori a refrigerazione rimuovono l’acqua tramite condensazione e non possono scendere al di sotto del punto di congelamento dell’acqua all’interno del proprio scambiatore di calore, pertanto la loro temperatura in uscita si attesta appena sopra i +3 °C. Gli essiccatori ad adsorbimento rimuovono l’acqua tramite adsorbimento, un processo chimico superficiale che non presenta tale limite, pertanto raggiungono di serie i −40 °C e i −70 °C su richiesta. Costo, manutenzione e complessità derivano tutti da quell’unico vincolo fisico.
Il punto di rugiada di pressione è la temperatura alla quale l’umidità presente nell’aria alla pressione di linea inizia a condensarsi. Viene misurato alla pressione stessa e la differenza rispetto al punto di rugiada atmosferico è sufficientemente ampia da causare errori nelle specifiche: l’aria essiccata a −40 °C a 7 bar presenta un punto di rugiada atmosferico vicino a −57 °C. Un dato riportato senza un riferimento preciso è di scarsa utilità, ed è per questo che punto di rugiada negli impianti ad aria compressa deve essere confrontato alla pressione alla quale il sistema funziona effettivamente. La regola pratica consiste nell’individuare la superficie più fredda che l’aria possa mai incontrare, solitamente un tratto all’aperto, una tubazione che conduce a un magazzino non riscaldato o un’attrezzatura vicino a una porta di carico, e specificare un punto di rugiada in pressione di almeno 20 °F (circa 11 °C) inferiore a tale valore.
Cosa significano nella pratica le classi di umidità della norma ISO 8573-1
La maggior parte delle specifiche aziendali fa ormai riferimento allo standard internazionale di purezza piuttosto che alla semplice temperatura.
| Classe di umidità | Punto di rugiada in pressione | Contenuto d'acqua a 7 bar | Tipo di asciugatrice che lo raggiunge |
| Classe 1 | −70 °C o temperature ancora più basse | Inferiore a 0,03 g/m³ | Letto essiccante ad alte prestazioni |
| Classe 2 | −40 °C o temperature ancora più basse | Circa 0,12 g/m³ | Essiccante standard |
| Classe 3 | −20 °C o temperature ancora più basse | Circa 0,9 g/m³ | Essiccante, oppure refrigerato più una fase speciale |
| Classe 4 | +3 °C o temperature inferiori | Circa 6 g/m³ | Refrigerato |
| Classe 5 | +7 °C o temperature inferiori | Circa 7,7 g/m³ | Refrigerato, temperatura di approccio elevata |
| Classe 6 | +10 °C o temperature inferiori | Circa 9,4 g/m³ | Refrigerazione di base, per impieghi gravosi |
La differenza tra la Classe 4 e la Classe 2 è pari a circa cinquanta volte meno acqua, motivo per cui le due tecnologie non sono intercambiabili nella fascia alta della gamma. Lo standard è pubblicato come ISO 8573-1:2010 e classifica le particelle, l'acqua e l'olio su tre assi indipendenti, per cui una specifica completa è costituita da tre numeri anziché da uno solo.
Come funziona un essiccatore d'aria refrigerato
Un essiccatore a freddo raffredda l'aria compressa fino a circa +3 °C, fa condensare il vapore in goccioline, separa meccanicamente tali goccioline e le scarica. È l’essiccatore per compressori d’aria di serie nella maggior parte degli impianti perché mantiene un punto di rugiada stabile con un basso costo di investimento e assorbe una potenza modesta e prevedibile, compresa tra 0,8 e 1,0 kW per 100 cfm.
Il ciclo si articola in quattro fasi. L’aria calda satura viene preraffreddata in uno scambiatore di calore aria-aria dall’aria fredda e secca in uscita dall’essiccatore, che recupera la maggior parte dell’energia di refrigerazione. Successivamente entra nell’evaporatore, dove il refrigerante la raffredda fino a circa +3 °C e il vapore si condensa. Un demister o un separatore a gravità rimuove le goccioline e uno scarico convoglia la condensa. L’aria fredda e secca ritorna attraverso il preraffreddatore, assorbendo nuovamente calore, il che ne abbassa l’umidità relativa e impedisce la formazione di condensa sulle tubazioni a valle.
Tre situazioni rendono questa tecnologia inefficace. Una linea che passa all’aperto raggiunge temperature inferiori a +3 °C in inverno, quindi l’aria con un punto di rugiada di +3 °C si condensa e poi gela al suo interno. Un processo sensibile all’umidità, come l’aria a contatto con il prodotto nei settori alimentare, del riempimento farmaceutico, della manipolazione dei semiconduttori o nelle cabine di verniciatura, non può tollerare i 6 g/m³ residui. Inoltre, una specifica di Classe 2 o Classe 1 non può essere soddisfatta solo tramite la condensazione. In ciascuno di questi casi l’unità non è difettosa; le viene semplicemente richiesto di fare qualcosa che le leggi della fisica non consentono.
Come funzionano gli essiccatori ad adsorbimento e quanto costa ogni tipo in termini di aria di spurgo
Un essiccatore ad adsorbimento fa passare l’aria attraverso un letto di allumina attivata o di setaccio molecolare che trattiene le molecole d’acqua sulla superficie delle sfere. Poiché il letto si satura, due torri si alternano: una essicca mentre l’altra si rigenera, secondo un ciclo fisso o in base a un punto di rugiada misurato. È proprio nella rigenerazione che risiedono i costi operativi, poiché la maggior parte dei modelli utilizza una parte dell’aria compressa essiccata stessa per espellere l’umidità dal letto.
| Tipo | Metodo di rigenerazione | Aria di spurgo in percentuale della portata nominale | Dove va posizionato |
| Senza riscaldamento (a variazione di pressione) | L'aria essiccata si espande fino a raggiungere la pressione atmosferica e spazza via il letto fuori linea | dal 15 al 20 per cento | Portate da piccole a medie, basso punto di rugiada a un prezzo contenuto |
| Riscaldato esternamente | Un riscaldatore aumenta la temperatura dell'aria di spurgo, quindi ne occorre una quantità minore | dal 5 all'8 per cento | Portate medio-elevate in cui l’energia è un fattore determinante |
| Spurgo con soffiante | Un ventilatore esterno immette aria ambiente riscaldata, senza utilizzare praticamente aria compressa | dall'1 al 3 per cento | Portate elevate con un elevato numero di ore di funzionamento |
Perché il tasso di eliminazione è il dato che conta davvero
L'aria di spurgo è già stata compressa, essiccata e filtrata, per poi essere scaricata. In un impianto da 500 cfm, un essiccatore ad adsorbimento senza riscaldamento al 15% consuma 75 cfm in modo continuo, pari a circa 13-14 kW di energia di compressione per ogni ora in cui l’impianto è pressurizzato. Si tratta di oltre tre volte il consumo elettrico di un essiccatore a refrigerazione delle stesse dimensioni, prima della manutenzione. I modelli con spurgo riscaldato o tramite ventilatore riducono la perdita d’aria, ma aggiungono la potenza del riscaldatore o del ventilatore e un maggior numero di parti in movimento; si tratta quindi di un compromesso tra aria, elettricità e complessità, piuttosto che tra economico e costoso.
Il problema si aggrava a carico parziale. Senza un controllo della domanda basato sul punto di rugiada, un essiccatore senza riscaldamento espelle lo stesso volume fisso sia che l’impianto funzioni a pieno regime sia che funzioni a un terzo della capacità; pertanto, dimezzando la domanda d’aria si raddoppia la quota di espulsione. Per questo motivo, l’adozione di un sistema di commutazione delle torri basato sul punto di rugiada misurato in uscita, anziché su un timer, rappresenta l’intervento aggiuntivo più efficace in assoluto.
Sistemi a refrigerazione vs sistemi ad essiccante: confronto diretto
Gli essiccatori refrigerati risultano vantaggiosi in termini di costi di investimento, costi di esercizio e semplicità ovunque sia sufficiente una temperatura di +3 °C. Gli essiccatori ad adsorbimento sono più efficaci per quanto riguarda il punto di rugiada e rappresentano l’unica opzione quando l’aria raggiunge condizioni di congelamento o il processo richiede una classe 2 o superiore. Nessuno dei due è efficiente in termini assoluti; ciascuno è efficiente entro i propri limiti.
| Fattore | Essiccatore refrigerato | Essiccatore |
| Punto di rugiada in pressione | +3 °C (circa 38 °F) | −40 °C standard, −70 °C disponibile |
| Contenuto residuo di acqua | Circa 6 g/m³ a 7 bar | Circa 0,12 g/m³ a −40 °C |
| Costo del capitale | Valori di riferimento | da 1,5 a 2,5 volte superiore a parità di portata |
| Consumo energetico | da 0,8 a 1,0 kW per 100 cfm, costante | Equivalente di spurgo più carico del riscaldatore o del ventilatore |
| Costi operativi | Valori di riferimento | Di norma da quattro a sei volte superiore per i modelli senza riscaldamento |
| Ambito della manutenzione | Filtri, scarichi, circuito di refrigerazione | Filtri, valvole, silenziatori, sostituzione periodica dei materiali filtranti |
| Durata dei materiali di consumo | Circuito sigillato, senza materiali di consumo di routine | Filtri ogni 3-5 anni (senza riscaldamento), ogni 2-3 anni (con riscaldamento) |
| Ingombro e peso | Compatti, spesso montati su telaio | Due navi, più grandi e più pesanti |
| Comportamento a carico parziale | Punto di rugiada stabile, consumo assoluto inferiore | La quota di eliminazione aumenta notevolmente in assenza di un controllo della domanda |
| La migliore vestibilità | Aria per piante da interno, utensili, produzione in generale | Impianti per esterni, settore alimentare, farmaceutico, elettronico, aria per strumentazione |
La riga relativa al punto di rugiada determina la capacità; quella relativa ai costi operativi determina se tale capacità è economicamente sostenibile. Un impianto che acquista essiccante per l’aria che non esce mai da un edificio riscaldato paga ogni mese un sovrapprezzo da quattro a sei volte superiore per un’asciugatura che non può utilizzare.
Quanto costa gestire ciascun tipo di veicolo nell'arco di dieci anni
L'energia rappresenta circa l'80% del costo di produzione dell'aria compressa, mentre le attrezzature incidono in misura minore. Nel caso di un essiccatore, ciò significa che la differenza di prezzo di acquisto tra le due tecnologie si ammortizza nel giro di pochi anni, mentre il resto dipende dai costi dell'elettricità e dello spurgo.
Un confronto dettagliato mette in evidenza la differenza. Prendiamo ad esempio un impianto da 500 cfm che funziona 8.000 ore all’anno a 0,10 per kWh.
| Riga dei costi | Essiccatore refrigerato | Essiccatore ad assorbimento senza riscaldamento |
| Aria di spurgo consumata | Nessuno | 75 cfm in funzionamento continuo |
| Potenza equivalente | 4,5 kW, solo asciugatrice | 13,5 kW per lo spurgo più 0,3 kW per i sistemi di controllo |
| Energia annua | Circa 36.000 kWh | Circa 110.000 kWh |
| Costo energetico annuale | Circa 3.600 | Circa 11.000 |
| Manutenzione annuale, media | Circa 300 | Circa 900, compreso l'ammortamento dei supporti di registrazione |
| Costi di esercizio su un periodo di dieci anni | Circa 39.000 | Circa 119.000 |
Il gruppo frigorifero comprende il compressore, le ventole e i dispositivi di controllo, ovvero ciò che costituisce un essiccatore refrigerato raffreddato ad aria in un impianto tipico. Il consumo dell'essiccante è determinato principalmente dallo spurgo, motivo per cui esistono varianti con spurgo riscaldato e con ventola: queste spostano i costi dall'aria compressa sprecata all'energia elettrica acquistata e, nei sistemi di grandi dimensioni, tale spostamento è solitamente vantaggioso.
Le linee guida federali giungono alla stessa conclusione dal punto di vista del sistema. L’essiccazione dell’aria oltre il punto di rugiada richiesto dal processo comporta un consumo di energia senza alcun vantaggio operativo, e la caduta di pressione dovuta al trattamento rappresenta di per sé un costo ricorrente, poiché ogni bar in più necessario per spingere l’aria attraverso un essiccatore a sezione ristretta aggiunge circa il 7% alla bolletta energetica. Il riferimento è il Manuale per il miglioramento delle fonti di aria compressa, che considera l'essiccazione come una delle otto componenti del sistema da cui dipende il successo o il fallimento in termini di efficienza.
Quanto dura l'essiccante e con quale frequenza va sostituito
Il serbatoio dell’essiccatore ha una durata compresa tra i 15 e i 20 anni in condizioni di funzionamento normale, ma il materiale adsorbente è un materiale di consumo. Gli essiccatori senza riscaldamento richiedono in genere un ricambio dell’essiccante ogni 3-5 anni, mentre i modelli riscaldati ogni 2-3 anni, poiché il riscaldamento ripetuto accelera l’invecchiamento dell’adsorbente. La sostituzione avviene tramite un intervento di manutenzione programmato piuttosto che tramite una revisione: le perle esaurite vengono svuotate e viene caricato nuovo materiale adsorbente, solitamente durante i fermi macchina programmati.
Cosa riduce la durata del desiccante
I guasti ai supporti sono quasi sempre causati da fattori a monte piuttosto che dalle perline stesse.
- Rimanenze di petrolio. Un filtro a coalescenza saturo o mancante ricopre le sfere e ostruisce i pori, compromettendone definitivamente la capacità. Questa è la causa più comune di sostituzione prematura.
- Acqua allo stato liquido che penetra nel letto. In caso di guasto del separatore a monte o dello scarico, le gocce di condensa si frantumano e causano l’abrasione del materiale filtrante.
- Un uso eccessivo della bicicletta. Un essiccatore dimensionato per la portata massima, ma che funziona a una frazione di essa, commuta le torri molto più spesso del necessario.
- Temperatura di ingresso elevata. La portata diminuisce all'aumentare della temperatura in ingresso; pertanto, un'unità alimentata con aria a 45 °C anziché ai 38 °C previsti è di fatto sottodimensionata.
- Perdita di carico attraverso un letto intasato. Un aumento della pressione differenziale indica la presenza di ostruzioni o di materiale schiacciato e comporta un consumo continuo di energia.
È possibile riutilizzare l'essiccante?
In questo contesto si confondono due significati del termine “riutilizzo”. All’interno dell’essiccatore le stesse perle vengono rigenerate migliaia di volte, in genere in un ciclo della durata di pochi minuti, quindi il materiale filtrante viene riutilizzato continuamente per come è stato progettato. Essendo un materiale sfuso, l’essiccante esaurito può essere riattivato fuori linea riscaldandolo a una temperatura compresa tra circa 175 e 350 °C con un gas di spurgo secco. In un impianto, ciò è raramente economicamente vantaggioso: il materiale è contaminato da olio e particolato, l’attrito ne ha già ridotto la resistenza alla compressione e la movimentazione delle perle sfuse costa più del materiale nuovo. La soluzione più realistica è che il letto venga rigenerato durante il funzionamento per un periodo compreso tra i tre e i cinque anni e poi sostituito.
I malfunzionamenti si manifestano prima di quanto indicato dal calendario, sotto forma di aumento del punto di rugiada in uscita a carico costante, riduzione dell’intervallo tra le commutazioni della torre in un’unità a controllo in base alla domanda, frammenti di perline sul post-filtro o aumento della differenza di pressione. Qualsiasi di questi fenomeni giustifica una verifica del punto di rugiada.
Quando la risposta giusta è entrambe le cose
La maggior parte degli impianti che richiedono una temperatura di −40 °C ne hanno bisogno solo su una linea, non su ogni metro cubo d’aria. Un essiccatore a refrigerazione che serve l’intero impianto, abbinato a una piccola unità essiccante installata nel punto di utilizzo sulla linea critica, di solito costa meno all’acquisto e molto meno in termini di costi di esercizio rispetto a un impianto essiccante che copra l’intero impianto.
Casi tipici sono una singola conduttura esterna verso un edificio distante, una cabina di verniciatura all’interno di uno stabilimento di assemblaggio generale, una diramazione per aria da laboratorio o per strumenti, e una linea di confezionamento in cui l’aria a contatto con il prodotto è regolata mentre quella per gli utensili non lo è. Due regole regolano la configurazione: l’unità essiccante deve essere alimentata con aria secca, quindi l’essiccatore refrigerato va posizionato per primo, e necessita di un proprio filtro coalescente, poiché un letto esposto a tracce di olio si guasta prematuramente indipendentemente dalle prestazioni dell’essiccatore principale.
Come scegliere l'asciugatrice giusta
Cinque parametri determinano la scelta: la portata massima nelle unità in cui il fornitore basa le proprie valutazioni, la pressione di ingresso minima e massima, la temperatura massima dell’aria in ingresso, il punto di rugiada in pressione richiesto e la caduta di pressione ammissibile. Se al fornitore viene fornito solo il valore della portata, egli effettuerà il dimensionamento sulla base di ipotesi, che risulteranno ottimistiche.
È proprio nelle condizioni di ingresso che la maggior parte delle specifiche risulta errata. Un essiccatore progettato per una temperatura di ingresso di 38 °C perde una parte significativa della propria capacità a 45 °C, e l’aria in uscita da un compressore senza un adeguato post-raffreddamento raggiunge facilmente tale valore. La correzione della temperatura di ingresso, della pressione e delle condizioni ambientali fa la differenza tra un essiccatore in grado di mantenere il proprio punto di rugiada in agosto e uno che non ci riesce.
Cinque errori ricorrenti nelle specifiche
- Indicare il punto di rugiada atmosferico quando il processo viene valutato alla pressione di linea, sovrastimando la secchezza di circa 17 °C.
- Il dimensionamento basato sulla portata indicata sulla targhetta piuttosto che sulla domanda di picco misurata comporta solitamente un sovradimensionamento e, nel caso delle unità a desiccante, un numero eccessivo di cicli di funzionamento.
- L'omissione del filtro di coalescenza a monte di un letto essiccante riduce la durata del materiale filtrante a una frazione del valore nominale.
- Ignorando la caduta di pressione nell'essiccatore, si aumenta quindi il setpoint del compressore per compensare, consumando così il 7% in più di energia per bar a tempo indeterminato.
- Acquistare capacità essiccante per un impianto che non è mai soggetto a temperature sotto lo zero.
Di quale essiccatore ha bisogno il tuo impianto?
Prendere la temperatura più bassa che qualsiasi parte dell'impianto potrà raggiungere, sottrarre 11 °C e confrontare il risultato con +3 °C. Se il risultato è pari o superiore a +3 °C, un essiccatore a refrigerazione soddisfa i requisiti. Se è inferiore, oppure se il processo richiede la conformità alla norma ISO 8573-1 Classe 3 o superiore, è necessario un essiccatore ad adsorbimento in quella parte dell’impianto.
| La tua situazione | Selezione consigliata |
| Aria delle piante da interno, edificio riscaldato, utensili pneumatici | Refrigerato |
| Linee verso annessi, banchine di carico, magazzini non riscaldati | Essiccante su quei rami |
| A contatto con alimenti, bevande e prodotti farmaceutici | Essiccante, Classe 2 o superiore |
| Elettronica, semiconduttori, aria tecnica | Essiccante, spesso di Classe 1 |
| Verniciatura e finiture: quando l'umidità causa difetti | Essiccante sulla linea di cabine |
| Pianta mista con un ramo critico | Base refrigerata più essiccatore al punto di utilizzo |
| È stato installato un essiccatore refrigerato, ma l'acqua continua a fuoriuscire a valle | Prima di sostituire qualsiasi componente, verificare il punto di rugiada rispetto alla superficie più fredda |
Domande frequenti
Come posso verificare qual è il punto di rugiada effettivo raggiunto dalla mia asciugatrice?
Effettuare la misurazione all’uscita con un sensore con una portata nominale ben al di sotto del valore target, poiché un’affermazione di Classe 2 non può essere verificata da uno strumento che raggiunge il limite inferiore a −40 °C. Utilizzare un campione in flusso anziché un raccordo cieco, mantenere il sensore alla pressione di linea per ottenere una lettura del punto di rugiada in pressione e attendere alcune ore affinché si asciughi se si parte dall’aria ambiente. Registrare la lettura a diversi livelli di carico, poiché un essiccatore che mantiene il punto di rugiada a pieno carico potrebbe presentare una deriva al 40%.
Un essiccatore a membrana rappresenta un'alternativa pratica all'essiccatore ad adsorbimento?
Per portate ridotte e punti di rugiada moderati, può essere una soluzione valida. Gli essiccatori a membrana utilizzano fibre cave che consentono al vapore acqueo di permeare più rapidamente rispetto all’aria e sono adatti all’aria per strumentazione al punto d’uso con portate di pochi cfm, senza parti in movimento né alimentazione elettrica. Il loro spurgo è una percentuale continua della portata; faticano a raggiungere i −40 °C con portate più elevate e sono sensibili alla presenza di olio e particolato, pertanto competono con le piccole unità essiccanti piuttosto che con i sistemi di essiccazione a livello di impianto.
L'aria in ingresso è più calda rispetto al valore indicato per l'asciugatrice. Devo usare un'asciugatrice più potente?
Prima correggere, poi ridimensionare. La causa più comune è un raffreddamento secondario inadeguato o un ricevitore posizionato troppo a valle, e correggere le condizioni in ingresso è più economico che acquistare capacità aggiuntiva per compensare il problema. Se non è possibile portare la temperatura al valore nominale, applicare il fattore di correzione del fornitore per la temperatura e la pressione in ingresso anziché un margine forfettario, poiché la perdita di capacità non è lineare e un margine stimato a caso comporta o un sovradimensionamento dell’unità o un punto di rugiada insufficiente in estate.
